Sensoren

Sensor – Auge im Prozess

Sensoren. Ein Istwertgeber transformiert eine physikalische Größe (Drehzahl, Beschleunigung, Lage/Position/Distanz, Neigung, Bewegung, Druck, Temperatur, Strahlung u. a.) in ein elektrisches Signal.

Kapazitiver Wegmesser capaNCDT 6110 (www.micro-epsilon.de).

Unterschiedlichste Sensoren erzeugen eine skalierte, digitale, seltener analoge Größe. Sensortechnik umfasst einfache wie intelligente Geber, Vision Sensoren bis zu Bildverarbeitung in HD-Qualität.

Dienten in der Vergangenheit Messwertaufnehmer der Kontrolle von Regel- und Steuerstrecken sowie von Sicherheitseinrichtungen, übernehmen sie nun dezentral sich selbst überprüfend und Arbeitsstationen/Abläufe koordinierend zusätzlich Aufgaben in der „smarten“ Fabrik bei Überwachung und Qualitätskontrolle, in der Logistik u. ä.. Autonome, flexible Produktherstellung höchster Güte und Wirtschaftlichkeit wird möglich, weil derartige oft funktional sichere Sensoren ggf. in Kooperation mit weiteren Gebern höherwertige Zustandsinformationen generieren.

Grundlegende Klassifizierung 
Mechanische Geber erfassen Drehzahl, Lage/Position, Druck, Kraft, Annäherung, Bewegung u. ä. Elektronische, verschleißfreie Komponenten erkennen mittels elektrischer (Wirbelstrom), induktiver, kapazitiver, piezoelektrischer, weich-/magnetischer (Hall-Effekt, Rogowski-Spule), feldstärkegesteuerter, radioaktiver, chemischer, funk-, ladungstechnischer, faser-, lichtoptischer (LASER, LED, Infrarot u. a.) oder photoelektrischer Wandler berührungslos Zustände/Messgrößen. Temperatur (Heiß-, Kaltleiter, Widerstandsthermometer, Thermoelement, Pyrometer u. a.), Gravitationsfelder (Neigungsmessung) kommen wie Dehnungsmessstreifen, Widerstandspotentiometer zum Einsatz. Zur Annäherungsdetektion bezüglich Personen und Sicherungseinrichtungen dienen Infrarotstrahlen, Vision-Sensortechnik (Kamera-Differenzbilder mehrerer Bildpunkte), Radar.

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Laser-Distanzsensor für Oberflächen MESAX 70 multi-spot (www.baumer.com).

Intelligente Sensortechnik 
Industrie 4.0 und IoT in Fertigung und Intralogistik sind nur realisierbar mit intelligenten, miniaturisierten Sensoren für hochauflösende, präzise, ggf. mehrdimensionale Messaufgaben in der Feldebene. IoT wird dominiert vom Verbund solcher Sensoren maximalen Messbereichs (zum Beispiel Winkelerfassung 360°).

Die Geräte kennzeichnet

  • Kommunikationsfähigkeit Punkt-zu-Punkt über implementierte Standardschnittstellen bis in übergeordnete Ebenen (ERP, Cloud, Edge etc.), horizontale und vertikale Integration in Automatisierungsverbund,
  • hohe Zuverlässigkeit bei langer Lebensdauer,
  • minimaler Stromversorgungsaufwand (ggf. kontaktlos),
  • Steuerungskapazität mit internem Controller/ASIC,
  • Echtzeitfähigkeit und Schnelligkeit (integrierte Elektronik),
  • aufgabenbestimmte Präzision,
  • Selbstüberwachung, -diagnose zur präventiven Anlagenwartung,
  • softwareseitige Koordinierungsfähigkeit,
  • flexible Parametrierbarkeit,
  • einfache Inbetriebnahme (plug-in-play),
  • platzsparende, kundenspezifische Ausführung (ausgehend von einer Standardausführung mit Freiheitsgraden selbst für die äußere Form, ECT Embedded Coil Technology http://www.micro-epsilon.de), effiziente Montage (EM-Schirmung, Kühlung) und Erstinbetriebnahme.
  • direktes Auslesen, Visualisierungsfähigkeit von Messwerten, Parametern, Betriebsdaten (Nutzung von Standardgeräten wie Smartphones mit App),
  • raue Umgebungsbedingungen (Edel- stahlgehäuse, dichte Zweikammerbauweise http://www.twk.de).

Bei Bedarf stehen sie auch als Safety-Lösung (≥ SIL 2) und als Heavy-Duty-Ausführung bereit. Solche Komponenten erledigen Automatisierungsfunktionen dezentral in der Feldebene, kommunizieren mit Aktoren direkt. Infolge der internen Messgrößenauswertung generieren sie unmittelbar verarbeitungsfähige Signale. Operiert der Sensor als eigenständiger Internet-Knoten, gehören zu applizierten Schnittstellen bzw. Kommunikationstechnologien neben konventionellen analogen Ausführungen bevorzugt IP/Ethernet, IO-Link, Ethercat, Powerlink, Profi-, Profinet. Alternative Funkschnittstellen sind NFC, WLAN, Bluetooth, ZigBee sowie RFID als Quasi-Sensor (http://www.contrinex.de). Realisiert der dezentrale Geber z. B. Doppelabtastung mit redundanter Signalerfassung/-auswertung steigen zugleich Verfügbarkeit sowie Zukunftssicherheit der Anlage.

Tabelle: Smarte Sensoren – Beispiele

Einsatzgebiete sind vielfältig (Tabelle). Nimmt beispielsweise die Messdaten weltweit verschlüsselt eine Datencloud auf, analysiert und vergleicht sie mit Referenzwerten, erwachsen daraus Maßnahmen für überwachte Aggregate. Mit diesem Konzept vermindert ABB Stillstandszeiten von Motoren. Vision-Sensoren existieren als Branchenlösung spezialisiert für Bildverarbeitungsaufgaben (http://www.baumer.com).

Sicherheitssensorik
Hinsichtlich Produktqualität, funktionaler Sicherheit wächst die Bedeutung von Sensoren. Beispiele (http://www.twk.de, http://www.tr-electronic.de) zeigen zu den benannten, in dieser Hinsicht zusätzliche Merkmale. Insbesondere mobile, automatisierte Arbeitsgeräte wie Hebebühnen, Kräne u. a. werden mit bezüglich Soft- und Hardware teil-/redundanten Sensoren (bis SIL 3) für Schwingungen, Drehzahlen, Positionen, Neigung ausgerüstet. Windkraftanlagen erfassen das einwandfreie Drehen der Gondel ebenso wie Schwingungen und Vibrationen, um sie zu vermeiden. SIL2-zertifizierte, hochauflösende Dreh-/Geber ggf. mit FSoE, SoEC oder Vibrationsmesser sorgen zudem für eine hohe Verfügbarkeit.

In der Verfahrenstechnik (ggf. in Ex-Umgebung) besitzt die Sicherheit größten Stellenwert. Die präzise Geber-Funktion realisieren induktive Verfahren. Der Überwachung von Direktantrieben dienen Hall-Sensoren (http://www.siko.de). Infrarote Wärmebild-Kameras kontrollieren aus der Ferne.

Ausblick
Entwicklung und Einsatz intelligenter Sicherheits-/Sensorik nehmen mit dem Ausbau vom IoT sowie wegen Umwelt- und Ressourcenschonung zu.

Dr.-Ing. habil. Joachim Krause


Vision-Sensor
Bildgebendes Gerät zur Produktidentifizierung u. ä., für eine bestimmte Aufgabengruppe optimiertes Bildverarbeitungssystem. Es löst eine gewünschte Reaktion aus und besitzt Kommunikationsschnittstellen zum Anschluss an SPS´n, Pneumatik-, Überwachungssysteme.

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